光子晶体光纤中去极化声波导布里渊散射温度及应变响应

数值求解了光子晶体光纤中的去极化型声波导布里渊散射色散方程,研究了光子晶体光纤中的布里渊频移随泵浦波长及空气孔填充率的变化关系,以及去极化型声波导布里渊散射频移随温度、应变、声波导模式、纤芯直径及空气孔层数的关系。结果表明:布里渊频移随着波长的增大而线性减小。对于相同的波长点,增大光子晶体光纤空气孔填充率时,声波横向速度将会减小。去极化型声波导布里渊散射频移随温度及应变的增大而线性增加。同一温度条件下,高阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对温度的变化更为敏感;而在同一应变条件下,低阶TR2m模式的去极化型声波导布里渊散射频移对应变的变化更为敏感。去极化型声波导布里渊散射频移随纤芯直径的增加而增大,随空气孔层数的增加而减小。     

基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器

针对布里渊光时域分析分布式传感原理和受激布里渊散射的特点,应用微波电光调制分布反馈式半导体激光器产生频移可调的探测光,和传感光纤中相反方向传输的脉冲激励光进行受激布里渊散射作用,当探测光和激励光的频率差在布里渊频移附近时,频移探测光和激励光产生受激布里渊散射,通过改变探测光的频移值,检测探测光功率信号,可得到沿光纤各处的布里渊频移,再利用布里渊频移和应变（或温度）的关系,计算得到沿光纤分布的传感量。设计了基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器实验系统,实现了25km的分布式温度传感,达到5m的空间分辨力和3℃的温度分辨力。     

基于光相干外差检测的布里渊散射DOFS的研究

对布里渊散射分布式光纤传感器(DOFS)检测原理进行了分析, 针对布里渊散射光信号的特点, 应用光相干和外差技术来检测布里渊散射光信号. 具体采用微波电光调制产生频率可调的参考光, 和布里渊散射光进行相干检测, 根据布里渊频移特性取出布里渊散射光信号, 从而得到分布式传感信号. 分别实现了25 km光纤的分布式温度和应变传感, 达到3℃的温度分辨率、100 με的应变分辨率和10 m的空间分辨率.     

掺杂和结构对光纤中去极化型声波导布里渊散射频移与散射效率的影响

利用全矢量有限元法研究了单模光纤及光子晶体光纤中掺杂材料及浓度、光纤结构对去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率的影响.结果表明增大包层掺氟浓度或纤芯掺锗浓度均会减小光纤布里渊频移,也会增大单模光纤散射效率.光子晶体光纤中整体掺氟浓度不变时,空气孔层数的增加会减小布里渊频移;而纤芯掺锗浓度不变时,随空气孔层数的增加TR2,3模式的布里渊频移增大,而TR2,7模式的布里渊频移减小.     

一个新型的基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR系统

报道了新型的分布式传感测量布里渊光时域反射(BOTDR)系统.布里渊散射频移和强度均依赖于温度和应变,因此,BOTDR利用光纤中的自发布里渊散射作为测量信号可以实现分布式温度和应变测量.在BOTDR中,光源采用窄谱半导体激光器,并由声光调制器调制成脉冲光,经掺铒光纤放大器放大后,注入测试光纤以产生自发布里渊散射.利用双通Mach-Zehnder干涉仪分离光纤背向散射中的自发布里渊散射与瑞利散射信号,实现了自发布里渊散射的直接检测.实验结果表明基于全光纤Mach-Zehnder干涉仪BOTDR方案是可行的.     

光子晶体光纤中去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率研究

利用矢量有限元法,数值模拟了不同结构参数下光子晶体光纤中空气孔填充率与去极化型声波导布里渊散射频移的关系,以及布里渊散射频移与布里渊散射效率的关系。研究结果表明,空气孔填充率的增大会导致扭转径向模式的去极化型声波导布里渊散射频移下移。空气孔节距或纤芯直径一定时,高阶模式的频移对空气孔填充率的变化更为敏感。扭转径向模式的去极化型布里渊散射效率都随布里渊散射频移的增大而增大。     

光子晶体光纤中去极化型声波导布里渊散射频移和散射效率研究

利用矢量有限元法,数值模拟了不同结构参数下光子晶体光纤中空气孔填充率与去极化型声波导布里渊散射频移的关系,以及布里渊散射频移与布里渊散射效率的关系。研究结果表明,空气孔填充率的增大会导致扭转径向模式的去极化型声波导布里渊散射频移下移。空气孔节距或纤芯直径一定时,高阶模式的频移对空气孔填充率的变化更为敏感。扭转径向模式的去极化型布里渊散射效率都随布里渊散射频移的增大而增大。     

布里渊散射光纤传感器的交叉敏感问题

基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的布里渊频移同时受应变和温度的影响,无法由单一的布里渊频移解析应变或温度的信息,这种交叉敏感问题制约了传感器的实用化。介绍了目前解决交叉敏感问题的主要方法及工作原理。研究了大有效面积非零色散位移光纤(LEAF)的布里渊散射谱与应变和温度的关系,实验发现布里渊谱具有三个布里渊峰,三个峰的布里渊频移与应变和温度成线性关系,第一个峰和第三个峰的布里渊峰峰值功率的差值与温度无关,但与应变成线性关系。最后基于实验结果提出了一种解决交叉敏感问题的方案,获得了大约130με的应变测量精度和8℃的温度测量精度。     

结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器

对于普通单模光纤的布里渊散射光,其频移是温度或应变的函数,因此通过检测布里渊频移可得到沿光纤分布的温度或应变。但布里渊散射分布式光纤传感器有光时域分析和光时域反射计两种结构,两者具有不同的性能特点和使用场合,在实际传感应用中需要加以选择,用以实现有效的长距离光纤传感。如何在一个系统中融合这两种分布式光纤传感技术,其关键是产生传感所需的频移参考光或探测光。采用光纤激光器作为单一光源,基于微波电光调制产生频移参考光或探测光,并应用正交偏振控制来抑制偏振相关信号衰弱。在同一系统中实现了25 km普通单模光纤的布里渊光时域分析和光反射计,在5 m空间分辨率下达到3℃的温度分辨率。     

基于光纤环形腔结构的布里渊频移器设计

为了达到布里渊光时域分析(BOTDA)系统双通道激光源的布里渊频移要求,设计了一个光纤布里渊频移器,放置在其探测脉冲通道,使探测光与另一通道的扫频光具有布里渊频移差(约11.2GHz)。通过分析频移器的输出光谱线宽窄化原理,利用光纤中激发的布里渊增益谱结合一定的环形腔结构形成窄线宽的布里渊斯托克斯光谱输出,且分析了环形腔频移器的受激布里渊散射阈值和光-光转换效率两个性能指标及其影响因素。采用1551nm窄线宽光源,对实际搭建的9km单模光纤布里渊频移器进行了实验验证,结果表明:频移器的受激布里渊散射阈值为2.3mW,布里渊频移对应的波长改变约为0.1nm,此时的定向耦合器耦合比为0.4,光-光转换效率为49%。所设计的光纤布里渊频移器能达到布里渊光时域分析系统光源的技术指标,降低了系统的复杂性和成本。     

普通单模光纤的长距离双参量传感布里渊光时域反射计

对于普通单模光纤的自发布里渊散射光,其频移和光功率都是温度和应变的函数,因此检测散射光信号的布里渊频移和光功率,即可同时得到沿光纤一维分布的温度和应变。采用光相干检测的布里渊光时域反射计适合于长距离分布式传感,但存在检测信号的偏振相关性和幅度解调问题。采用偏振分集接收和小波分析对传感信号进行处理,同时得到了布里渊散射光的频移和功率,从而实现了25 km普通单模光纤的分布式双参量传感。     

提高布里渊光时域反射应变仪测量空间分辨力的等效脉冲光拟合法

由于探测光脉冲宽度受到限制,布里渊光时域反射仪(BOTDR)在对光纤上的应变进行分布式测量时,空间分辨力只能达到1 m。针对布里渊光时域反射仪单次采样接收背向布里渊散射信号(BBS)需要一定的时间,提出了基于等效脉冲光的多洛仑兹拟合法以提高其应变测量的空间分辨力。该方法将探测光脉冲在布里渊光时域反射仪完成单次采样所需的时间上进行积分,将积分函数作为等效脉冲光的表达式,再根据等效脉冲光的形状将布里渊光时域反射仪接收到的背向布里渊散射谱(BBS)细分,并对它进行多洛仑兹迭代拟合,准确求得每个细分布里渊散射谱的中心频率,进而利用光纤中布里渊频移与应变的对应关系,得到光纤中与细分布里渊散射谱对应的细分光纤单元上的应变情况。实验结果表明,利用这种方法,可使布里渊光时域反射仪应变测量的空间分辨力提高至0.05 m。     

基于宽带光源和自外差检测的布里渊光时域反射温度传感系统

为简化系统结构、减小相干瑞利噪声对系统性能的影响,提出了一种采用宽带光源的瑞利和布里渊散射自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统.分析了瑞利和布里渊自外差检测原理,研究了布里渊频移和自外差信号功率与光纤温度和应变的关系.设计并搭建采用宽带光源的自外差检测布里渊光时域反射温度传感系统,获得了常温下沿光纤分布的自外差信号功率谱及不同温度时加温段光纤的功率谱,验证了布里渊频移和自外差信号相对功率变化随温度的线性增加关系.通过实验数据获得的布里渊频移和相对功率变化的温度系数分别为1.07±0.01MHz/℃和(0.37±0.09)%/℃.本文的研究结果为基于瑞利和布里渊自外差检测布里渊光时域反射传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据.     

基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现

利用光纤中的布里渊散射光频移与温度和应变呈线性关系的原理,提出了一种基于自发布里渊散射的双支路分布式光纤传感系统。该系统利用不同种类光纤的布里渊频移差别,同时对两条线路的应力和温度进行监测,实现对被测对象多方位的同时测量,缩短了探测时间,提高了工作效率。本文实现了两路光纤的同时监测,用6 km的光纤作为传感介质,获得了4 m的空间分辨率。得到的实验结果表明,提出的系统能准确判断40 ns脉冲光在两路传感光纤沿线产生的自发布里渊背向散射光谱的中心频率变化。      

基于布里渊散射光时域分析的温度传感技术研究

为提高布里渊时域分析的传感精度,探寻一种相同条件下传感更为稳定、精确的传感光纤,通过实验得到一种布里渊频移与温度拟合线性度约为1的传感光纤.理论上分析了布里渊散射谱线宽度对温度传感测量精度的影响机制,在布里渊时域分析系统实验中分别以普通单模光纤与非零色散位移光纤(G.655)为传感光纤,测出在一定温度变化范围内标定点的布里渊散射谱线宽度和频移值.实验结果表明,非零色散位移光纤的布里渊散射谱线宽度随温度变化比较稳定,具有较高的传感精度.因此以G.655光纤为传感光纤更利于长距离监测场传感精度的提高.     

少模光纤中受激布里渊散射的慢光

利用全矢量有限元法计算了少模光纤中模内和模间受激布里渊散射各模式布里渊频移和布里渊增益谱,模拟了泵浦功率、有效传输长度及脉冲宽度对各模式慢光时间延迟量、脉冲展宽因子的影响.模拟结果表明:少模光纤中不同传输模式产生的受激布里渊散射慢光特性不同,输入泵浦功率及有效传输长度越大,各模式的慢光时延量、展宽越大,且当输入泵浦功率相同时,模内的慢光时延量、展宽因子均大于模间的.优化参数可得,在输入泵浦功率为0.5W,光纤有效长度为1km的条件下,LP_(01)-LP_(01)、LP_(11)-LP_(11)及LP_(01)-LP_(11)模式的时间延迟量分别为643.7ns、362.6ns和213.2ns,其展宽因子分别为1.346、1.207和1.126.     

光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统的影响

报道了光脉冲编码对基于拉曼放大的布里渊光时域分析系统(BOTDA)的影响. 实验表明,光脉冲编码能够在保证较高空间分辨率的同时减小布里渊频移的不确定性. 实验实现了49.6 km传感距离, 在整段传感光纤上温度分辨率1 ℃,空间分辨率2.5 m. 本文实验测量并分析了系统的信噪比和光功率分布特性. 关键词： 分布式光纤传感 受激拉曼散射 布里渊增益 布里渊光时域分析系统(BOTDA)     

少模光纤的不同模式布里渊散射特性

少模光纤可以传输有限的正交模式,具有模间干涉小、模式易于控制等优点.基于少模光纤的布里渊散射传感器能够有效地减小多参量测量过程中的交叉敏感,实现多物理量的测量.本文基于波动光学理论对阶跃型少模光纤各个模式布里渊散射谱的频移、线宽、峰值增益等参数进行了分析.首先对少模光纤进行了模式分析,其次分析了少模光纤不同模式的频移、线宽、增益的数学模型,以及不同模式叠加的布里渊散射谱频移、线宽、增益.结果表明:少模光纤各模式布里渊散射谱的频移在10.19—10.23 GHz范围内,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射谱的线宽在32—34 MHz,且随模式阶数的减小而增加;各模式布里渊散射增益谱相对幅度因为模式阶数的减小而增大.少模光纤中各个模式布里渊增益谱和多模式联运布里渊增益谱均符合洛伦兹曲线分布,多模式联运导致布里渊增益谱线宽展宽,且多模式联运布里渊增益谱相对振幅一般小于单个模式的布里渊相对振幅.     

布里渊动态光栅原理及其在光纤传感中的应用

自从2007年布里渊动态光栅被首次提出用于实现光存储以来,该技术得到了国际上的广泛关注和研究.布里渊动态光栅本质上是由相干声波场激发的折射率光栅,一般情况下两束抽运光(频率差等于光纤的布里渊频移)以相同的偏振态从光纤两端注入到光纤中,通过受激布里渊散射效应激发出相干声波场,即形成布里渊动态光栅.光纤布里渊动态光栅因具有全光产生、参数灵活可控的优点,已被广泛研究应用于光纤传感、光纤特性表征、光存储、全光信号处理、微波光子学和高精度光谱分析等.本文分析布里渊动态光栅产生和探测原理,重点探讨在高性能分布式光纤传感上的应用,这些应用包括高灵敏度温度和应变分布式传感、温度和应变同时解调、分布式横向压力传感、分布式静压力(气压或液压)传感、高空间分辨率分布式传感和高精度光谱分析.     

M型少模光纤中模间受激布里渊散射特性及其温度和应变传感特性

少模光纤的受激布里渊散射对于分布式温度/应变传感具有重要应用价值.本文提出一种纤芯折射率呈M型分布的少模光纤,详细研究了光学模式LP_(01)和LP_(11)模式内及模式间的布里渊增益谱.研究结果表明:LP_(01)-LP_(11)模式对的布里渊增益谱中,其相邻两个布里渊散射峰的频率间隔较宽、增益峰值较大且峰值相差较小.通过优化光纤结构参数,提高了基于LP_(01)-LP_(11)模式对布里渊增益谱的温度和应变传感性能,最小误差分别为0.23℃和5.67μe.该研究对探究少模光纤中模式内及模式间的受激布里渊散射特性具有一定的指导意义,对提升同时温度和应变传感测量的性能具有一定参考价值.